北太平洋、东海黑潮及黑潮延伸体海域海平面变化机制研究

论文摘要

本文利用AVISO卫星高度计资料分析了北太平洋1993-2006年海平面变化特征及主要模态,并对比容、降水和蒸发对海平面不同尺度变化的影响进行了研究。对东海黑潮和黑潮延伸体邻近海域海平面变化特征进行分析,讨论比容、蒸发、降水以及黑潮流强度对海平面变化的影响。利用包含正压Sverdrup平衡和一阶斜压罗斯贝波动力学的一层半理论模型对黑潮延伸体所在北太平洋中纬度海区的海平面进行机制研究,分析风驱动的罗斯贝波对北太平洋中纬度海区海平面变化的动力学贡献。利用POP模式对全球海平面进行了厄尔尼诺事件及时间序列模拟实验,分别讨论海平面的年际变化及长期趋势变化的主要影响机制。1993～2006年北太平洋大部分海区海平面都在不同程度的上升,少数海区存在下降趋势。上升区域基本位于洋盆西侧的中低纬海区,高纬度海区及中低纬度海区的大洋东岸海平面在下降。上升最快和下降最快的海区位于黑潮和亲潮的交汇海域。整个北太平洋在这14年间的平均上升率为2.87mm/a。北太平洋海平面以年周期的季节变化为主,最高海面出现在9月份,最低海面出现在3月份。拉尼娜年份北太平洋海平面出现年变幅增大;1998/99年太平洋年代际涛动位相转变后海平面海平面上升减慢。ENSO和PDO位相为正时,北太平洋出现较低的海平面,ENSO和PDO位相为负时,北太平洋出现较高海平面;海平面与ENSO及PDO信号的变化位相相反,这种反位相相关关系在1998/99年ENSO及PDO出现位相转换前后尤为明显。北太平洋海平面前5个模态的方差比重为48.3%。第一模态和第三模态为季节模态,第二模态为ENSO模态,第四模态为ENSO和PDO混合模态。北太平洋海平面变化约有四分之一来自季节信号,四分之一来自ENSO和PDO共同影响作用,剩余的其他信号则为更高频或更低频的变化。北太平洋比容海面在1993～2006年间在上升,比容变化趋势对海平面上升的贡献大约为57%。北太平洋比容海面的显著周期与海平面一致且各种周期的振幅相当;其前五个模态的时空分布与海平面具有高度相似性,对海平面的季节、年际及趋势变化都有影响。1993～2006年间北太平洋西部的降水明显在增加,对海平面上升有贡献;中纬度海区大洋中部和低纬度海区大洋东部出现明显的降水减少,东边界附近的降水减少对于所在海区海平面下降也有一定的影响。1993～2006年北太平洋平均降水在增加,其增加率为0.21mm/a,大约对北太平洋海平面的上升贡献了7.4%。降水的季节变化与海平面的季节变化非常吻合。ENSO信号较强年份,降水对海平面的年际变化有负贡献。1993-2006年北太平洋海区蒸发有上升趋势,其增加率为0.09mm/a;蒸发对1998年海平面高值有负贡献。蒸发降水引起的淡水通量变化对海平面上升的正贡献大约为4.2%。1993-2006年间东海黑潮流域平均海平面呈上升趋势,上升速率为5.1mm/a。黑潮右侧大洋区域上升率大于左侧浅海区域。东海黑潮流域海平面变化具有显著的季节变化特征;ENSO和PDO处于正位相时东海黑潮流域海平面变化年较差较小;而二者处于负位相时海平面年较差较大;海平面的年际变化与PDO信号存在反位相关系。ENSO和PDO位相发生转变前后,海平面变化幅度较大。1995年东海黑潮流域海平面出现异常低值,2002年以后海平面上升减慢。比容对海平面季节变化的贡献大约为81.3%。1996年以前比容的年际变化与海平面存在较大差异,1997年以后二者变化较为吻合;2001年以前比容海面在缓慢上升,而2001年后比容海面突然降至较低水平,这可能是引起海平面上升减慢的一个原因。比容对海平面趋势变化的贡献为45.6%。降水对海平面变化的贡献主要是年际尺度的,降水的趋势变化对同期海平面上升的贡献约为1.2%。1995年东海黑潮流域海平面出现极低值,同期蒸发增强而降水减弱,对海平面的下降有正贡献。1998年和2001拉尼娜信号较强时,降水增强与蒸发减弱同时发生,对该时期海平面高值也有正贡献。黑潮流量增大时,东海黑潮左侧海平面下降,右侧海平面上升,左右两侧海面高度差增加,而东海黑潮流域的整体海平面上升。黑潮流量在1995年出现异常低值,海平面也出现异常低值,这是同期比容变化所无法解释的。黑潮延伸体南北两侧的海平面变化呈现不同的特征。黑潮延伸体北侧海平面变化在1993-2006年可以分成三个时段,1993-1998年下降,1999-2003年抬升后下降,2003年以后上升。该海域海平面具有显著的季节变化特征,季节变化引起的海平面年较差为18.6cm,占海平面变化量的60%。比容季节变化信号占海平面季节变化的84%,年际变化信号约占海平面年际变化的40%,对海平面趋势变化的贡献超过70%。降水引起的海平面变化主要体现在个别年份,1993-2006年黑潮延伸体北侧降水有减少趋势,对海平面趋势变化的贡献为2-3%。蒸发对海平面的贡献很微弱,对海平面下降的贡献不足1%。黑潮延伸体增强时,北侧海平面降低,黑潮延伸体减弱,北侧海平面升高。黑潮延伸体南侧海平面在1993-2006年期间也经历了三个阶段性变化,1993-1996年下降,1997-2003年上升,2003年以后下降。南侧海平面变化速率较北侧大。南侧海域也具有显著的季节变化特征,季节变化的年较差约为22.6cm,约占海平面变化信号的50%左右。比容的趋势变化约占海平面趋势变化的三分之一;季节变化可以解释海平面季节变化88.5%的信号,年际变化中比容的贡献约占三分之一。蒸发降水引起的海平面变化的比重很小。黑潮较强时南侧海平面较高,黑潮较弱时南侧海平面较低。但是对应关系比北侧要弱很多,可能与南侧较强的不稳定性有关。利用包含罗斯贝波和Sverdrup动力学的一层半模型可以很好的刻画风对北太平洋中纬度海平面变化的影响机制。大洋内区风驱动的罗斯贝波的传播对海平面变化的贡献存在区域差异。黑潮延伸体南侧海域海平面的季节变化中比容的作用是主要的,而年际和趋势变化中风的作用是主要的;黑潮延伸体北侧海平面的变化中比容在季节和趋势变化中占主导,而风的作用在年际变化中略微显著。POP模式模拟得到的97/98厄尔尼诺期间北太平洋海平面的变化可以用温度异常引起的比容效应和流的异常引起的输运变化来解释。不同强迫得到的实验结果对比发现,97/98厄尔尼诺事件中风的作用是主要的,风引起的流场及海面高度与气候态流场及海面高度场均有很大差异,而热通量引起的变化不显著。风的作用可以很好的解释赤道海区的海平面变化过程,而热通量对中高纬度海区海平面变化过程作用显著;就量值来说,风引起的海平面异常占厄尔尼诺期间海平面异常很大比重,而热通量的作用仅有20%左右。POP模式模拟得到1993-2006年全球比容海面上升趋势明显,年上升率为0.74mm/a;比容的快速上升始于1998年;上层200米比容变化作用显著。北太平洋海水总量变化引起的上升率为0.44mm/a,海面高度在1997年出现极低值。北太平洋比容海面1998年以前存在下降趋势,1998年以后开始快速上升,这一趋势变化与同期Ishii温盐资料计算得到的比容高度变化符合;利用随机动态分析得到模拟的北太平洋比容高度的上升速率为0.92mm/a。上层200米比容的趋势变化在比容海面的整体趋势变化中占有重要比重。模拟得到全球范围水体重新分布导致的北太平洋海平面变化大约占海平面趋势变化的15.3%;比容海面上升趋势大约占北太平洋海平面上升趋势的32.1%。二者可以解释北太平洋海平面趋势变化的47.4%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 海平面变化的研究意义
• 1.2 海平面变化研究进展
• 1.2.1 海平面变化规律研究
• 1.2.1.1 海平面季节变化
• 1.2.1.2 海平面年际到年代际变化
• 1.2.1.3 海平面长期趋势变化
• 1.2.2 海平面变化机制研究
• 1.3 北太平洋、东海黑潮及黑潮延伸体海平面变化研究进展
• 1.4 本文内容
• 2 数据、方法和模型、模式介绍
• 2.1 数据介绍
• 2.1.1 高度计资料
• 2.1.2 OAFlux 蒸发数据
• 2.1.3 CMAP 降水资料
• 2.1.4 NCDC 风应力资料
• 2.1.5 Hellerman 气候态风应力资料
• 2.1.6 GODAS 风应力资料
• 2.1.7 Levitus（2005）温度、盐度资料
• 2.1.8 Ishii（2006）温度、盐度资料
• 2.1.9 SODA 流场资料
• 2.2 方法介绍
• 2.2.1 随机动态分析预测方法
• 2.2.1.1 确定性部分模型
• 2.2.1.2 寻找周期
• 2.2.1.3 周期显著性检验
• 2.2.1.4 残差序列性质的检验
• 2.2.1.5 随机序列模型初步识别
• 2.2.1.6 AR（P）模型阶数及系数的确定
• 2.2.1.7 建立叠合非线性模型及其求解
• 2.2.2 比容高度计算方法
• 2.3 一层半动力学理论模型介绍
• 2.4 POP 模式介绍
• 2.4.1 控制方程及边界条件
• 2.4.1.1 球坐标系下的控制方程
• 2.4.1.2 边界条件
• 2.4.2 差分方法
• 2.4.2.1 空间离散
• 2.4.2.2 时间离散
• 2.4.3 次网格参数化
• 2.4.3.1 水平扩散系数
• 2.4.3.2 水平粘性系数
• 2.4.3.3 湍扩散系数
• 3 北太平洋海平面变化特征及影响因素
• 3.1 北太平洋海平面变化特征及主要模态
• 3.1.1 北太平洋海平面变化特征
• 3.1.2 北太平洋海平面变化的主要模态
• 3.2 比容变化对北太平洋海平面变化的影响
• 3.2.1 北太平洋比容海面的变化特征
• 3.2.2 北太平洋比容海面变化的主要模态
• 3.2.3 比容变化对北太平洋海平面变化影响小结
• 3.3 北太平洋淡水通量对海平面变化的影响
• 3.3.1 降水对海平面变化的影响
• 3.3.2 蒸发对海平面变化的影响
• 3.3.3 北太平洋淡水通量对海平面变化影响小结
• 3.4 北太平洋海平面变化特征及影响因素小结
• 4 东海黑潮流域海平面变化及影响因素
• 4.1 东海黑潮流域海平面变化特征
• 4.2 东海黑潮流域海平面变化的影响因素
• 4.2.1 东海黑潮流域比容变化对海平面变化的影响
• 4.2.2 东海黑潮流域降水对海平面变化的影响
• 4.2.3 东海黑潮流域蒸发对海平面变化的影响
• 4.2.4 东海黑潮流强度对海平面变化的影响
• 4.2.4.1 东海黑潮流量与黑潮左侧海平面变化的关系
• 4.2.4.2 东海黑潮流量与黑潮右侧海平面变化的关系
• 4.2.4.3 东海黑潮流量与黑潮两侧海表面高度差的关系
• 4.2.4.4 东海黑潮流量与海域平均的海平面变化的关系
• 4.2.4.5 东海黑潮表层流速与海平面变化的关系
• 4.3 东海黑潮流域海平面变化及其影响机制小结
• 5 黑潮延伸体流域海平面变化及影响因素
• 5.1 黑潮延伸体流域海平面变化及影响因素的空间分布
• 5.2 黑潮延伸体北侧海平面变化及原因
• 5.2.1 黑潮延伸体北侧海平面变化特征
• 5.2.2 比容对黑潮延伸体北侧海平面变化的影响
• 5.2.3 降水和蒸发对黑潮延伸体北侧海平面变化的影响
• 5.2.4 黑潮延伸体强度与北侧海平面年际变化的关系
• 5.3 黑潮延伸体南侧海平面变化及原因
• 5.3.1 黑潮延伸体南侧海平面变化特征
• 5.3.2 比容对黑潮延伸体南侧海平面变化的影响
• 5.3.3 降水和蒸发对黑潮延伸体南侧海平面变化的影响
• 5.3.4 黑潮延伸体强度与南侧海平面年际变化的关系
• 5.4 黑潮延伸体海域海平面变化及影响因素小结
• 6 海平面变化机制研究
• 6.1 风对黑潮延伸体两侧海平面变化影响机制研究
• 6.1.1 黑潮延伸体南侧海平面模拟
• 6.1.2 黑潮延伸体北侧海平面模拟
• 6.2 海平面年际和长期趋势变化机制研究
• 6.2.1 模式设置
• 6.2.1.1 空间网格
• 6.2.1.2 初始场
• 6.2.1.3 参数化设置
• 6.2.1.4 强迫场
• 6.2.2 海平面季节变化的气候态模拟
• 6.2.2.1 模式结果检验
• 6.2.2.1.1 海面高度
• 6.2.2.1.2 表层流场
• 6.2.2.1.3 正压流函数
• 6.2.2.1.4 经向翻转流函数
• 6.2.2.1.5 温盐分布
• 6.2.2.2 全球海平面季节变化
• 6.2.2.2.1 海面高度
• 6.2.2.2.2 比容高度
• 6.2.2.2.3 海面高度季节变化与风应力旋度异常
• 6.2.2.2.4 海平面季节变化模拟小结
• 6.2.3 海平面的年际变化机制
• 6.2.3.1 1997/98 厄尔尼诺期间海平面变化特征
• 6.2.3.2 风对1997/98 厄尔尼诺期间海平面变化的贡献
• 6.2.3.3 热通量对1997/98 厄尔尼诺期间海平面变化的贡献
• 6.2.3.4 97/98 厄尔尼诺北太平洋海平面变化机制小结
• 6.2.4 海平面的长期趋势变化机制
• 6.3 海平面变化机制研究小结
• 7 结论
• 7.1 北太平洋海平面变化及影响因素
• 7.2 东海黑潮流域海平面变化及影响因素
• 7.3 黑潮延伸体流域海平面变化及影响因素
• 7.4 海平面变化机制研究
• 8 创新点及工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 研究生期间发表的学术论文